Table of Contents
נוזלים חכמים, הנקראים גם נוזלים אינטליגנטיים, מהווים מעמד של חומרים מתקדמים המציגים שינויים מתמשכים, ניתנים לשליטה בתכונות הירולוגיות כאשר הם נתונים לגירויים חיצוניים כגון שדות מגנטיים, שדות חשמליים, שינויי טמפרטורה, או אפילו אור. בניגוד נוזלים קונבנציונליים, חומרים אלה יכולים לעבור במהירות בין מצבים מכניים דמויי עוצמה, המאפשרים למהנדסים לעצב מערכות בזמן אמת כדי לשנות את המצבים של השדה, להגיב במהירות על ידי מבנים כימיים מסוימים, אשר הם בעלי השפעה יעילה, אשר הם בעלי השפעה על ידי מערכות מתקדמות, אשר הפכו להיות בעלי השפעה מעשית, כמו נוזלית חומרים אלה, כמו נוזלית, כמו גם על ידי מערכות אבטחה, כמו גם על ידי מערכות הנדסה חומרית, אשר הפכו לאימון חומרים כימיים, אשר הם בעלי יכולת פעולה מגנטית, אשר הפכו לאימון חומרים מגנטית, אשר הפכו לאימון חומרים אלה, כמו נוזלית, כמו נוזלית, כמו נוזלית, כמו נוזלית, אשר הפכו לאימון יעיל, אשר הפכו לאימון מהיר, אשר הפכו לאימון יעיל, כמו נוזלית, כמו נוזלית, כמו נוזלית, כמו נוזלית, כמו נוזלית, כמו נוזלית, כמו נוזלית, אשר מאפשר מהנדסים, כמו נוזלית, אשר מאפשר מהנדסי, אשר מופעלת, אשר מופעלת, כמו נוזלית
סוגים של שפעת חכמה
נוזלים חכמים מסווגים בעיקר על ידי סוג של גירויים אשר מעוררים את שינוי הנכס שלהם.שלושת המעמדות המבוססים ביותר הם נוזל מגנטיאורהולוגי (MR), נוזלים אלקטרורהייאולוגיים (ER) ונוזלים תרמו-responsive.כל מחלקה פועלת על עקרונות פיזיים נפרדים ומציעה יתרונות ייחודיים ומגבלות ליישומים הנדסיים.
מגנטית (MR) פלואידים
נוזלים מורכבים מנוזלים בגודל מיקרון, חלקיקים מגנטיים – ברזל קדחתני או ברזל פחמן – שאינם מתפזרים בנוזלים שאינם מגנטיים כגון שמן סיליקון, שמן מינרלים או מים. בהיעדר שדה מגנטי, החלקיקים מתפזרים באופן אקראי ונוזלים פועלים באופן נרחב כנוזל ניוטון.
אלקטרורהיילוגי (ER) Fluids
נוזלים הם אנלוגיים לנוזלי MR, אך מגיבים לשדות חשמליים ולא שדות מגנטיים.הם מכילים חלקיקים מלוטשים – לעתים קרובות פולימרי, סיליקה או טיטניה – שהועברו בשמן מבודד, כאשר שדה חשמלי על סדר של 1-5 kV / mm הוא מיושם, החלקיקים הופכים מקוטבים וצורה מבנים פיברטוס אשר מעלים את הצמתים וגורמים תגובה חשמלית באופן דומה של לחץ נמוך יותר.
שפעת החזירים-Responsive Fluids
הנוזלים הרגישות של ה-RMO-responsive משנים את הסטיות או את התנהגותם של השלבים בתגובה לריאציות טמפרטורה. דוגמאות נפוצות כוללות פתרונות קוקטיים של פולימרים כגון פולי(N-isopylacrylamide) (PNIPAM), אשר עוברים תהליך של בקרת נוזלים באופן איטי יותר, אך הם משלבים את המעבר של בקרת חום תגובה נמוכה יותר (LCST), מה שגורם לעלייה חדה במערכות של חום או חום טבעי לשימוש בטמפרטורה תרמית.
מכניזם ושינויים בביצוע
המנגנונים הבסיסיים שמאחורי נוזלים חכמים - מגנטיות, אלקטרורמטולוגיה, ותרמורמטולוגיה - נשלטים על ידי אינטראקציה בין חלקיקים מפוזרים לשדה המיושם. ב MR ו ER נוזלים, היכולת ליצור שרשראות חלקיקים חזקות, ניתנות קובע את הלחץ הניבות והזמן התגובה.
- גודל וצורה:0 (Particle size and shape: FLT:1 חלקיקים Spherical עם התפלגות בגודל צר נוטה לייצר שרשראות עקביות. חלקיקים בקנה מידה ננומטר יכולים להגדיל את שטח פני השטח, אך עשוי להפחית את הרגע המגנטי של חלקיקים. Aסימטריים כגון ננווטים או משטחים יכולים לשפר את יציבות שרשרת בחוזקות שדה נמוכות יותר.
- ריכוז חלקיקים:0 (Particle ריכוז:FLT:1) שברירי נפח גבוהים של חלקיקים להגדיל את הלחץ התשואות המקסימלי, אבל גם להעלות את הסטיות מחוץ למדינה, אשר יכול להזיק עבור כמה יישומים.ריכוזי MR טיפוסי טווח בין 20% ל-40% על ידי נפח.
- (FLT:0) ,Carrier נוזל מולקולות: FIRLT:1) הבסיס של נוזל המוביל משפיע על ההתנגדות הבסיסית לזרום ואת קצב הפחתת החלקיק משפר טווח דינמי אך עשוי להאיץ את המשקעים.
- (FLT:0)Additives andייצובers:FreaLT:1; חומרים להפחית את הצטברות חלקיקים; סוכנים טרופיים כמו fumed silica לעזור להשעות חלקיקים; תוספי אנטי-wear להאריך את חיי המכשיר.
- (FLT:0) כוח ומדים: FIRLT:1) גודלו והפצה של השדה החלים משפיעים ישירות על ההיערכות והחוזק של רשתות חלקיקים. שדות שאינם חד-ממדיים יכולים להוביל לאזורים מקומיים של מתח תשואה גבוהה, אשר עשויים להיות מנוצלים בתכנון.
כדי להתגבר על מגבלות ארוכות כגון סידמנטציה, שחיקה וסחף תרמי, חידושים אחרונים הציגו ציפוי חלקיקים nanostructured וארכיטקטורות ליבה-השלום.לדוגמה, ציפוי חלקיקים ברזל עם שכבה דקה של אחיקה או פולימר מפחית חמצון ומשפר את ההתנגדות ללא שילוב של ביצועים מגנטיים.
התקדמות טכנולוגית חדשה
בשנים האחרונות היו עדים לסדרת פריצות דרך שמביאות נוזלים חכמים קרוב יותר לאימוץ הנדסי הזרם המרכזי.אלה התקדמות במדע החומרי, טכניקות הייצור ושילוב המערכת.
חלקיקים ומערכות היברידיות
הנדסת חלקיקים אפשרה יצירת נוזלים חכמים עם תגובה חסרת תקדים. חלקיקים מגנטיים עם קוטרים מתחת 100 nm יכול להיות פונקציונלי עם פולימרים כדי לשפר את הפיזור ולהפחית את המשקעים. כאשר בשילוב עם חלקיקים קונבנציונאליים בגודל מיקרון, הם יוצרים מערכות היברידיות המציגות זמני תגובה מהירים יותר ומתחי תשואה גבוהים יותר.
ריבוי רגישות
מהנדסים מעצבים כעת נוזלים חכמים להגיב יותר מאשר אחד גירויים, המציעים גמישות רבה יותר.נוזלים דו-צדדיים MR-ER, למשל, יכולים להיות מופעלים על ידי שדה מגנטי או חשמלי, המאפשרים הפעלה ללא-בטוחה או שליטה קנס יותר.נוזלים של הרחם משלבים רגישות עם מגנטיות, המאפשר ניהול פסיבי במעגלים היברידיים אלה פותחים אפשרויות הפעלה מרובות של גירוי רובוטי, או תפקודים של גירוי רובוטי-אווירה.
יכולת והתאמה סביבתית
נוזלים חכמים מוקדמים סבלו ממשקעים חלקיקים, חמצון, ולבוש, אשר מוגבל תוחלת החיים שלהם במכשירים מעשיים.מחקר עדכני הפיק נוזלים שנותרו יציב במשך שנים.התקדמות כוללת את השימוש של נוזלי ספקים ביו-דידידיים (למשל, שמן ester-based), ציפויים לא רעילים חלקיקים, ואת הדאגה של חלקיקים פעילים בתוך פולימרים המונעים פגזים כימיקלים או חומרים כימיים, כמו דליפות מזון טבעי, או חומרים כימיים, כגון, או חומרים דליפות, אשר היו יכולים להיות דליפות, כגון, כגון חומרים כימיים, או חומרים כימיים, או חומרים כימיים, כגון, או חומרים דליפות, כגון, כגון, או חומרים דליפות, כגון, חומרים כימיים, כגון, כגון, או חומרים דליפות, חומרים כימיים המבוססים על בסיס צמחיים, או חומרים כימיים, או חומרים דליפות, או חומרים כימיים, או חומרים כימיים, או חומרים דליפות, או חומרים כימיים, כגון, או חומרים כימיים, כגון, אשר היו יכולים להיות דליפות, כגון, כגון, כגון דליפות, חומרים דליפות, כגון, חומרים דליפות, חומרים כימיים המבוססים על בסיס צמחיים, כגון, חומרים כימיים, חומרים כימיים המבוססים על בסיס צמחיים, כגון, חומרים דליפות, חומרים מזינים, חומרים דליפות, חומרים דליפות, חומרים מזינים, כגון,
שילוב עם חיישנים ומערכות בקרה
מערכות הנדסה מתקדמות מסתמכות על שליטה סגורה-loop, שבו חיישנים עוקבים באופן רציף אחר הסביבה התפעולית ותואמים את התכונות של נוזל חכם בהתאם.עבודה חדשה התמקדה בהטמעת חיישנים אפקט הול, מדדים, או חיישני טמפרטורה ישירות לתוך פועלי נוזל חכמים.לדוגמה, מר לחיר יכול עכשיו לכלול חיישן מגנטי בנוי-in המדווח על חוזק השדה בפועל, המאפשר מיקרו-בקר לפצות על hysteresis ואפקטים חכמים של תקשורת.
יישומים בהנדסה הסתגלות
ההשפעה של נוזלים חכמים בעולם האמיתי היא הבולטת ביותר ביישומים הנדסיים מגוונים שלהם. להלן הם אזורים מרכזיים שבהם חומרים אלה עושים הבדל ממשי.
מערכות ריגול ודמיון
אחת האפליקציות הבוגרות ביותר של נוזלי MR היא בלחיים רטט למחצה.חברות רכב כבר פרסו MR לחים במכוניות מתקדמות כגון מערכת קדילאק מגנוריד, אשר מתאמת את הלח בזמן אמת בהתבסס על תנאי הכביש, שיפור הן נוחות הנסיעה והן טיפול.הלח מורכב גם מעמודי מרחץ עם תא מלא נוזל; על ידי שינוי זרם דרך קוגניציה אלקטרומגנטית, צינורות דומים, למרות שמשתנים לתאים.
הגנה סיסמית על בניינים וגשרים
בהנדסה אזרחית, מר כץים נוזליים מועסקים כמכשירים חצי-אקטיביים כדי להגן על מבנים מ רעידות אדמה.לחים אלה מותקנים בין רצפות או בבסיס המבנים, וכאשר גלים סיסמיים מזוהים על ידי קדרממטרים, בקר חל שדה מגנטי כדי להגביר את הלחץ של התשואות של מרחץ, סופג אנרגיה וצמצום הכוחות המועברים למבנה.
רובוטיקה ואסתטיקה
נוזלים חכמים מאפשרים לרובוטים להשיג קשיחות משתנה ולחות, אשר חיוני עבור אינטראקציה אנושית-רובוט בטוח וכושר הנקה מתאים. על ידי שילוב מפרקים מבוסס MR נוזל, הזרוע הרובוטית יכולה להיות נוקשה במהלך משימות דיוק אבל תואם כאשר אינטראקציה עם בני אדם באופן דומה, ER נוזל דבק מאפשר מעורבות מהירה וקידוד עם התקפי גב מינימליים.
מכשירים רפואיים וה Haptics
מעבר לאסתטיקה, נוזלים חכמים מוצאים שימוש במכשירים כירורגיים, מכשירי שיקום וכלי אבחון. מערכות משוב מבוסס על כוח מר נוזל לעזור המנתחים לבצע הליכים עדינים על ידי מתן התנגדות כי נוקשות רקמות.במכשירים haptic למציאות מדומה, knobs ארגונומי ו joysticks מלאים נוזל יכול לשנות את התוספת מורגשת על ידי המשתמש, שיפור, לאחרונה חכמים כבר נחקרו לשימוש נוזל כי יש צורך בתאים אנרגיה.
ייצור מתקדם ופולנית
בייצור דיוק, נוזל MR משמשים בלטוש של עדשות אופטיות, חצי מוליכים למחצה ורכיבי מתכת.התהליך, המכונה מגנטיות, משתמש סילון נוזל המכיל חלקיקים מגנטיים; על ידי יישום שדה מגנטי מקומי, הסילון הופך נוקשה ו abrasive, הסרת חומר באופן מבוקר.טכניקה זו מניבה משטח למטה בסולם ננומטר.
כיוונים עתידיים ואתגרים
בעוד טכנולוגיה ירוקה גדלה באופן משמעותי, כמה אתגרים נותרו לפני אימוץ בקנה מידה גדול.עלות היא גורם מרכזי; נוזלי MR באיכות גבוהה ואלקטרומגנטים הדרושים להפעלה יכולים להיות יקרים, במיוחד עבור מוצרים צרכניים. Durability בסביבות קשות - טמפרטורה קיצונית, לחץ גבוה, או תקשורת קורוזיבית - מציבים בעיות עבור כמה ניסוחים.
מחקר עתידי צפוי להתמקד:
- (FLT:0) מסובבים נוזליים חכמים: 1FLT: שילוב MR או ER נוזלים עם פולימרים או קצף כדי ליצור חומרים היברידיים קלים יותר להשתלב במבנים.
- (FLT:0)Nanoscale חייט:FLT:1uing Machine Learning toייעל את גודל החלקיקים, ציפוי כימיה, ורכב נוזל המוביל עבור יישומים ספציפיים.
- (FLT:0)אנרגיה קצירת: FLT:1Building נוזל חכם שיכול לייצר אותות חשמליים מעיוות מכני, פועל ביעילות כחיישנים מופעלים על ידי עצמי.
- (FLT:0) קיימות סביבתית: FLT:1 , יצירת נוזלים ביו-דידיים ולא רעילים שניתן להשתמש בהם בחקלאות, עיבוד מזון, והשתלות ביו-רפואי ללא נזק אקולוגי.
- (FLT:0) שליטה ללא תשלום ואוטונומי: FLT:1 , Embedding microcontrollers ומודולי תקשורת ישירות למכשירים של נוזל חכם, המאפשר קבלת החלטות מבוזרת בתשתיות בקנה מידה גדול.
השילוב של נוזלים חכמים עם התחום הרחב של הנדסה הסתגלות מבטיח לפתוח רמות חדשות של ביצועים, בטיחות ויעילות. כמו חומרים מדע ממשיך להתקדם ועלויות הייצור ירידה, נוזלים חכמים הם מוכנים להיות מרכיב סטנדרטי ערכת הכלים של המהנדס - לא רק עבור יישומים מיוחדים מתקדמים, אלא עבור מערכות הסתגלות יומיומיות לשיפור איכות החיים.
לקריאה נוספת, ראה את הביקורת המקיפה על טכנולוגיית הנוזל החכם ב-FLT:0) ג'ורנל של Rheologycioph 1 והתפתחויות האחרונות שפורסמו ב-FLT:2 חומרים טבע FLT 3: יישומים בתעשייה מתועדים גם על ידי האגודה האמריקנית של מהנדסי מכונות:55 .